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Neues Denken

Achim Menges sieht im digitalen Co-Design das Potenzial für die Architektur der Zukunft

Mit seinem Prinzip der Formfindung revolutionierte der berühmte Stuttgarter Architekt Frei Otto einst den Entwurfsprozess von Bauwerken. Nun soll wieder eine umwälzende Neuerung von Stuttgart ausgehen: das Co-Design, die digitale Vernetzung von Planung, Bauprozessen und Bausystemen. Einer der Väter dieser Methode ist Architektur-Professor Achim Menges. Gemeinsam mit mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern will er im Exzellenzcluster „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ das prädigitale Bauwesen fit machen für die Zukunft.

Eine gewisse Unzufriedenheit mit dem Stand der Dinge ist oft der Beginn neuen Fortschritts. Diese Unzufriedenheit spürte Achim Menges schon in den 1990er-Jahren: Als der heutige Professor und Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) der Universität Stuttgart an der TU Darmstadt und später an der Architectural Association in London studierte, galt die „Blob-Architektur“ oder auch „Freiform-Architektur“ mit ihren organisch anmutenden Formen als vorwärts gewandt. Denn sie war durch die computerbasierte Planung (CAD) erst möglich geworden. „Mich hat daran irritiert, dass die Gebäude zwar andersartig aussahen, die Methoden der Planung aber relativ konventionell waren“, erinnert sich Menges. "Besonders überrascht hat mich, dass sich die Ambitionen immer nur auf das Entwerfen und Planen bezogen haben und es zu einem Bruch kam, wenn es um das Materialisieren und Bauen ging."

Man baute wie bisher – nur mit digitaler Unterstützung. Menges hingegen reizte die Frage, wie sich digitale Technologien so einsetzen ließen, dass sie Planung und Bauen verbinden, um daraus eine ganz neue Form der Architektur abzuleiten. Heute, 20 Jahre später, ist der 43-Jährige auf diesem Weg ein gutes Stück vorangekommen. Das zeigen aktuell zwei Pavillons auf der Bundesgartenschau (BUGA) 2019 in Heilbronn. Menges und sein Team haben sie gemeinsam mit dem Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE) unter der Leitung des Bauingenieurs Prof. Jan Knippers entworfen und gebaut. Sie führen eine Reihe von visionären Arbeiten weiter, die das interdisziplinäre Team Jahr für Jahr in Stuttgart im Stadtgarten aufstellt. Nie gehe es beim Bauen und in der Architektur nur um die Leistung eines Einzelnen, das ist Menges wichtig zu betonen.

Analog ganz unmöglich

Wie viele der in Stuttgart Forschenden sieht er sich maßgeblich durch Frei Otto beeinflusst. Dessen in Stuttgart entwickelte Formfindung hat die aktuelle Wissenschaftsgeneration um Menges und Knippers ins digitale Zeitalter übertragen. Während der 2015 verstorbene Architekt noch einfache Modelle aus Draht mit Seifenhaut überzog, um die perfekte Form etwa für das Zeltdach des Münchner Olympiastadions zu finden, nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heute digitale Techniken. Mit ihnen übertragen sie unter anderem komplexe Bauprinzipien der Natur in Leichtbauwerke, die analog gar nicht möglich wären: Für einen der früheren Pavillons aus Faserverbund-Werkstoffen stand eine Spinne Pate. Der hölzerne Forstpavillon für die Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd 2014 entstand nach dem Panzer eines Seeigels, dem Sanddollar.

Das Prinzip Co-Design

Den Bruch, der Menges Ende der 1990er-Jahre störte, überbrückt der Computer jetzt, indem er eine Rückkopplung einbringt: „Wir versuchen, Entwurfs und Planungsmethoden, Fertigungs- und Bauprozesse sowie Material- und Bausysteme von Anfang an gemeinsam zu denken und digital rückzukoppeln. Dabei stellen wir uns die Frage: Welche neuartigen Bausysteme und Bauweisen können dabei entstehen, die genuin digital sind?“ Co-Design nennt Menges dieses Prinzip:

Für den Holzpavillon der BUGA 2019 entwickelten die Forscher dazu gleichzeitig mit den Entwurfsmethoden ein voll automatisiertes Fertigungssystem. Zwei Roboter erstellten 376 geometrisch unterschiedliche Hohlkassetten aus Furnierschichtplatten: Ein Roboter nimmt eine dünne Holzplatte und platziert sie auf einer Halterung. Der zweite bringt ringsum Leim auf. Entlang der Kanten setzt dann die erste Maschine einen Ringbalken auf, die zweite nagelt ihn mit Holznägeln fest. Nun folgt die Deckplatte nach demselben Prinzip. Zuletzt fräsen die Roboter an den Seiten Fingerzinken ein. Die ermöglichen es, den Pavillon wie ein 3D-Puzzle zusammenzustecken.

Genauso, wie Planung, Material und Fertigung ineinander greifen: Die Geometrie der Platten hatte der Computer zuvor selbst errechnet, indem er unter anderem die Maße des Bauwerks mit den Begrenzungen der Roboterarme sowie den Festigkeitswerten und Maßen des Buchenholzes in Einklang brachte. Immer unter der Voraussetzung, so wenige und leichte Platten wie möglich zu erstellen. Erklärtes Ziel sei es gewesen, den eigenen Pavillon von Schwäbisch Gmünd zu übertreffen, erklärt Menges. Der neue ist dreimal so groß, ohne dass das Flächengewicht von 42 Kilogramm pro Quadratmeter zunahm. „Das ging nur, weil wir nicht mehr mit Massivplatten bauten, sondern mit Hohlkassetten.“ Ohne ein automatisiertes System wäre eine solche Bauweise nicht zu bewältigen – zumindest nicht wirtschaftlich und innerhalb von zwölf Monaten. Denn die konkreten Planungen begannen erst ein Jahr vor der Fertigstellung des Pavillons zur Eröffnung der Bundesgartenschau.

Planen, Fertigen und Aufbauen im Co-Design: Für den Holzpavillon der BUGA 2019 ließen sich die von Robotern erstellten, geometrisch unterschiedlichen Hohlkassetten wie ein 3D-Puzzle zusammenstecken. (c) Universität Stuttgart/ICD/ITKE
Planen, Fertigen und Aufbauen im Co-Design: Für den Holzpavillon der BUGA 2019 ließen sich die von Robotern erstellten, geometrisch unterschiedlichen Hohlkassetten wie ein 3D-Puzzle zusammenstecken.

Noch augenfälliger trifft das Prinzip des Co-Designs auf den Faser-Pavillon der BUGA 2019 zu. Die 60 einzelnen Elemente dieses Schauobjekts entstanden praktisch im freien Raum. Ein Roboter wickelte die Glas- und Kohlefasern um zwei entfernt stehende Rahmen herum. Das Kunstharz auf den Fasern härtete aus, und das entstandene Element ließ sich aus der Halterung nehmen und einbauen. Jedes hat eine andere Form, Geometrie und Faseranordnung je nach auftretenden Kräften und architektonischen Anforderungen. Das ermöglicht bei 400 Quadratmetern überspannter Fläche ein Flächengewicht von gerade einmal 7,6 Kilogramm pro Quadratmeter tragender Faserkonstruktion. Eine transparente ETFE-Folie macht den Pavillon wetterfest. Beide Konstruktionen erfüllen alle deutschen Baunormen und Anforderungen an ein Gebäude. „Die Pavillons geben einen Ausblick auf das Bauen der Zukunft, die Technologie ist soweit“, sagt Menges.

Exzellenzcluster für das Bauwesen 4.0

Diese Technologie nun für die breite Masse der Bauanwendungen weiterzuentwickeln, nennt Menges als Anspruch des Exzellenzclusters „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“, dessen Sprecher er ist. Von 2019 bis 2025 erhält die Universität Stuttgart von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) dazu Fördergelder in Höhe von mehreren Millionen Euro pro Jahr. Mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus sieben Fakultäten sowie vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme wollen das Co-Design ins Bauwesen überführen. Neben der Architektur und dem Bauingenieurwesen beteiligen sich unter anderem die Bauphysik, die Ingenieursgeodäsie, die Produktions- und die Systemtechnik, Informatik und Robotik sowie Sozial- und Geisteswissenschaftler. In drei Netzwerken werden die Forscherinnen und Forscher digitale und zumindest teilautonome Bauprozesse entwickeln: für mehrgeschossiges Bauen, für Bauen im Bestand sowie für weitgespannte Bauwerke. „Es geht um die Erforschung integrativer, computerbasierter Entwurfs- und Planungsmethoden, um neue
Fertigungs- und Bauprozesse, um genuin digitale Bausysteme der nächsten Generation. Und damit auch um ein neuartiges Bauschaffen, das die Architektur verändern wird“, sagt Menges.

Bereits in drei Jahren will jedes der drei Netzwerke einen ersten Baudemonstrator verwirklicht haben, 2025 einen zweiten. Denn die Zeit drängt: „Unsere Bauweise belastet den Planeten massiv“, sagt er. Sie verschlinge 40 Prozent der globalen Ressourcen und der Energie. Noch dazu erzeuge sie 50 Prozent des globalen Mülls. Gleichzeitig muss sich bis 2050 der Gebäudebestand weltweit verdoppeln – wegen des Bevölkerungswachstums, aber auch wegen der globalen Verstädterung. Angesichts dieser Aussichten redet der Visionär seiner Zunft ins Gewissen: „Dafür sind weder unsere Methoden noch unsere Bauprozesse oder Bauweisen geeignet.“ Bei der Digitalisierung nehme das Bauwesen aktuell den letzten Platz aller Industriezweige ein – noch hinter der Forstwirtschaft oder der Fischerei. Die Produktivität sei zuletzt sogar gesunken. Zeit für echten Fortschritt also im Bauschaffen. Und wieder einmal dürfte er in Stuttgart seinen Anfang nehmen.

Daniel Völpel

Prof. Achim Menges
Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD), Universität Stuttgart

Experten-Profil

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin, Forschungspublikationen

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